Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Biodegradable iron-based materials for cardiac purposes — what was done and what more can be done?

Radtke Aleksandra, Gąsior Gabriela

Engineering of Biomaterials

|

2021

|

Vol. 24, no. 163

38

2

Effect of dissection on the mechanical properties of human ascending aorta and human ascending aorta aneurysm

Kozuń Marta, Płonek Tomasz, Jasiński Marek, Filipiak Jarosław

Acta of Bioengineering and Biomechanics

|

2019

|

Vol. 21, no. 2

127--134

EN

The aim of the presented work is to determine (i) mechanical properties of the ascending aorta wall (DAA) and the wall of the ascending aortic aneurysm (DAAA), in which spontaneous dissection resulting from the evolving disease occurred, and (ii) the strength of the interface between the layers in the above-mentioned vessels. Methods: The mechanical tests were divided into two steps. In the first step the mechanical properties of the of DAA and DAAA walls were examined on the basis of uniaxial stretching until rapture. In the next step the mechanical parameters of the interface between layers of DAA and DAAA walls were determined by the peeling test. Results: Higher values of tensile strength (max) and Young’s modulus (E) were obtained for the DAAA group, to which the dissecting wall of the ascending aortic aneurysm was classified. For circumferential samples, the difference between the DAAA and DAA groups was 39% in the case of tensile strength and 70% in the case of the Young’s modulus. Conclusions: Summarizing, the studies performed showed that the dissection process is different in the case of the ascending aortic aneurysm wall and the ascending aorta wall. The wall of the ascending aortic aneurysm is more susceptible to dissection, as evidenced by lower values of the mechanical parameters of the interface between the intima and the media-adventitia complex. The obtained results of mechanical properties tests confirm that dissection and aneurysm should be treated as separate disease entities that may coexist with each other.

3

Identification and modelling of the pulsatile blood flow in section of elastic large blood vessel

Nowak Marcin

Archiwum Instytutu Techniki Cieplnej

|

2017

|

Vol. 3

5--30

EN

Modelling of the blood flow process using computational fluid dynamics (CFD) and finite element method (FEM) can improve considerably understanding, diagnosis and prevention of cardiovascular diseases in non-invasively way. Moreover, studying of processes inside human body helps to develop products that interacts with organism. For example, automotive and sport industry find it very useful for designing their products, reducing the cost for R&D at the same time. The aim of this study is to create a model of the blood flow in elastic blood vessel. Assumption of rigid blood vessel wall decreases the correctness of results, especially when the vessel undergoes quite large deformations. During cardiac cycle, the fluid flow induces forces from the time-varying blood pressure and wall shear stress. These forces causes strains of elastic vessels, which result in modification of the flow area. This was the motivation of using FluidStructure-Interaction (FSI) method. In this research a real geometry model from 8-year old female patient with a moderate thoracic aortic coarctation (CoA) was analyzed. The geometry was obtained by gadoliniumenhanced Magnetic Resonance Angiography (MRA). Model includes ascending aorta, arch of aorta, descending aorta, brachiocephalic artery with right subclavian and right common carotid artery, left common carotid artery, left subclavian artery. Due to the lack of the detailed data concerning arterial wall geometry, the wall thickness was calculated as 10% of the effective vessel radius. The simulation was performed using 2-way iteratively implicit approach of FSI. This approach couples two numerical solvers: ANSYS Mechanical (Finite Element Method) and ANSYS Fluent (Finite Volume Method). Pulsatile flow profile was implemented via User Defined Function (UDF) to mimic the cardiac cycle. This UDF consist of five polynomials created on twenty measuring points. The blood flow was modelled as laminar, single-phase, using non-Newtonian Carreau viscosity model.

PL

Modelowanie procesu przepływu krwi oparte na numerycznej mechanice płynów oraz metodzie elementów skończonych może znacznie poprawić zrozumienie, diagnozę i profilaktykę chorób układu krążenia w sposób nieinwazyjny. Co więcej, analiza procesów zachodzących wewnątrz ludzkiego ciała pomaga w rozwoju produktów oddziałujących w pewien sposób na organizm. Przykładowo, w przemyśle samochodowym oraz sportowym jest ona niezwykle użyteczna na etapie projektowania produktu, jednocześnie zmniejszając nakład finansowy na badania i rozwój. Celem niniejszego badania było utworzenie modelu przepływu krwi w elastycznym naczyniu krwionośnym. Założenie nieodkształcalności ścian obniża poprawność wyników, szczególnie, gdy naczynie poddawane jest stosunkowo dużym odkształceniom. Podczas cyklu pracy serca, przepływ płynu wywiera siły wynikające ze zmiennego w czasie ciśnienia krwi i naprężeń ścinających. Siły te powodują odkształcenia elastycznych naczyń, co skutkuje modyfikacją powierzchni przepływu. Proces ten był argumentem do użycia metody Fluid-Structure Interaction. W badaniu wykorzystano rzeczywistą geometrię od ośmioletniej pacjentki z koarktacją części piersiowej aorty. Geometrię uzyskano na drodze wzmocnionej angiografii (MRA). Model zawiera aortę wstępującą, zstępującą, łuk aorty oraz górne odgałęzienia. Z powodu braku szczegółowych danych dotyczących geometrii ścian naczyń, ich grubość została założona jako 10% lokalnego promienia. Symulacja została przeprowadzona przy użyciu obustronnego sprzężenia. Podejście to jest związane z dwiema aplikacjami: ANSYS Mechanical (Metoda Elementów Skończonych) oraz ANSYS Fluent (Metoda Objętości Skończonych). Pulsacyjny profil przepływu krwi został zaimplementowany przy użyciu procedur definiowanych przez użytkownika (UDF – User Defined Function). Jest on złożony z pięciu wielomianów, utworzonych na bazie dwudziestu punktów pomiarowych. Przepływ krwi został zamodelowany jako jednofazowy, a płyn jako nienewtonowski (model Carreau).

4

CFD analysis of blood flow within aorta of patient with coarctation of aorta

Rojczyk M., Ostrowski Z., Adamczyk W., Melka B., Bandoła D., Gracka M., Knopek A., Golda A., Nowak A. J.

Studia Informatica

|

2016

|

Vol. 37, nr 3A

43--55

EN

Blood flow in a real geometry of aorta was analysed. The CFD analysis was performed using commercial ANSYS/Fluent code. Velocity profile was used to mimic inlet flow conditions during human cardiac cycle. Outlet pressure boundary condition was coupled with lumped parameter model (electrical analogy) of circulatory system.

PL

Przeanalizowano jednofazowy przepływ krwi dla modelu aorty odwzorowującego rzeczywistą geometrię. Symulacja CFD przeprowadzona była za pomocą komercyjnego oprogramowania ANSYS/Fluent. Na wlocie do geometrii zadano profil prędkości, odpowiadający cyklowi pracy serca. Ciśnienie krwi na wylotach określono przez sprzężenie z parametrycznym modelem skupionym (zbudowanym w analogii elektrycznej).

5

Multi-fluid Euler-Euler model of the blood flow within the blood vessel with rigid walls

Gracka Maria

Archiwum Instytutu Techniki Cieplnej

|

2016

|

Vol. 1

29--51

EN

The cardiovascular diseases and disorders such as atherosclerosis, strokes and heart attacks are the leading causes of death in the world mainly in the developed and industrialized societies. Understanding of basic mechanisms and phenomena occurring in the cardiovascular system could be useful in early detection of the development of lesions in blood vessels. In the presented work numerical analysis of blood flow within aorta has been made. Analysis included two models: single- and multi-phase approaches. In first blood was treated as a homogenous, non-Newtonian fluid with averaged rheological properties of viscosity and density. Second model uses an Eulerian multiphase approach in model of blood flow which assumes blood as a mixture of three phases (plasma, erythrocytes and leukocytes). To develop numerical model of blood flow within the human blood vessel the commercial software ANSYS Fluent (ANSYS Inc., USA) has been used. In the project the geometry of 8-year old patient with moderate thoracic aortic coarctation (approximately 65% area reduction) has been used. The geometry was created from data generated during Gadolinium-enhanced MR angiography (MRA). Model of the geometry includes ascending aorta, arch, descending aorta und upper branches such as innominate artery, left common artery, left subclavian artery. To reproduce periodic cardiac cycle as an inlet boundary condition velocity profile was used. Velocity profile was calculated from the conversion of the volumetric flow that was measured by a phase-contrast (PC) MRI sequence with through-plane velocity encoding. As the outlet boundary conditions for all branches and descending aorta the outflow condition was used. Volumetric share of blood flow through various outflows of the aortic model was measured via PC-MRI. Results of numerical simulation are presented for two characteristic points (during systole and diastole) of the cardiac cycle.

PL

Choroby oraz zaburzenia układu krążenia, takie jak miażdżyca tętnic, udary i zawały serca są główną przyczyną zgonów na świecie, w szczególności w rozwiniętych i uprzemysłowionych społeczeństwach. Zrozumienie podstawowych mechanizmów i zjawisk występujących w układzie sercowo-naczyniowym może być przydatne do wczesnego wykrycia i diagnozy rozwijających się zmian w naczyniach krwionośnych. W prezentowanej pracy przeprowadzono analizę numeryczną przepływu krwi w aorcie. Wykonano dwa modele numeryczne pierwszy model traktujący krew jako jednorodną ciecz nienewtonowską z reologicznymi właściwościami średnimi dla lepkości i gęstości składników. Drugi model obejmuje analizę przepływu krwi będącej mieszaniną trzech faz (osocza, czerwonych krwinek oraz białych krwinek). Symulacje przeprowadzono przy użyciu komercyjnego oprogramowania ANSYS Fluent (ANSYS Inc., USA). W projekcie wykorzystano geometrię aorty 8-letniej pacjentki z koarktacją za łukiem aorty (zwężenie ok. 65%) wygenerowaną ze skanu wykonanego podczas wzmocnionej angiografii (MRA). Model obejmuje aortę wstępującą, łuk aorty, aortę zstępującą oraz górne odgałęzienia naczyń (pień ramiennogłowowy, tętnicę szyjną wspólną oraz podobojczykową lewą). W celu odwzorowania cyklu pracy serca na wlocie do aorty jako warunek brzegowy przyjęto profil prędkości przeliczony z przepływu objętościowego krwi, który zmierzono w trakcie badania kontrastem fazowym. Warunek zaimplementowano wykorzystując tzw. procedury własne (UDF - User Defined Function). Jako warunek brzegowy na wylotach przyjęto wypływy przez odgałęzienia oraz aortę zstępującą, których wartość wyrażona jest udziałem procentowym ze strumienia krwi na wlocie do aorty wstępującej. Wyniki symulacji numerycznej przedstawiono dla dwóch punktów charakterystycznych podczas skurczu i rozkurczu serca.

6

Identification and modelling of blood flow processes in section of large blood vessel using hybrid Euler-Lagrange multiphase approach

Knopek Artur

Archiwum Instytutu Techniki Cieplnej

|

2016

|

Vol. 1

53--80

EN

Computational fluid dynamics (CFD) in past known only in highly specialized technical engineering branch is nowadays one of main engineering tool in solving numerous complex problems in order to get crucial information and extend general knowledge in many fields. CFD allows to create new, more advanced systems and also optimize already created to enhance efficiency and/or reduce costs of production and operating. Actual situation demands from engineers to face difficult competition - fighting for minor fractions of efficiency due to construction and materials limitations. That operations do not concentrate only on that obvious disciplines like heat transfer, fluid dynamics or power-generation, but also new uncharted areas like automotive, chemical, aerospace, environmental engineering etc. One of that innovative field of CFD application is bio-engineering. In medicine, computer simulations can provide necessary, life-saving information with no interfere in patient body (in vivo), that allows to avoid later complications, application collisions and dangerous unpredictable after-effects. What more in several cases, in vitro analyses cannot be used through to life threats of treatment. The main objective of current project is to develop and test novel approach of accurate modelling of human blood flow in arteries. Currently available research reports do not cover the spatial interaction of individual blood phases and walls of blood vessels. Such approach could significantly reduce accuracy of such models. Proper simulations enriches general knowledge with specific details which could be crucial in early diagnosis of potential cardiac problems showing vulnerable zones (e.g. narrowed blood vessels). Such precise information are extremely difficult to obtain experimentally. Apart from multiphase concept of the project (that is considering every component of blood as separate phase assigning exceptional properties to each of them and determines relations between them) special attention was paid to the realism of geometry - considering the real system of the aortic segment (part of ascending aorta, aortic arch and part of thoracic aorta) including bifurcations. In addition a pulsating blood flow is being considered and implemented using built in UDF (User Defined Function) functionality of CFD code.

PL

Obliczeniowa mechanika płynów (ang. CFD – Computational Fluid Dynamics) znana niegdyś tylko w wysoce wyspecjalizowanej technicznie branży jest jednym z podstawowych narzędzi inżynieryjnych w rozwiązywaniu wielu złożonych problemów, celem zdobycia kluczowych informacji i poszerzenia wiedzy ogólnej w wielu dziedzinach. CFD pozwala na tworzenie nowych, bardziej zaawansowanych systemów oraz na udoskonalanie już istniejących – poprawiając ich wydajność i/lub obniżając koszty produkcji oraz eksploatacji. Aktualna sytuacja wymaga od inżynierów zmierzenia się w trudnej dyscyplinie – walce o ułamki wydajności z powodu ograniczeń materiałowych i konstrukcyjnych. Przedsięwzięcia te nie koncentrują się jedynie na oczywistych dyscyplinach, takich jak przepływ ciepła, mechanika płynów czy wytwarzanie energii, ale także na nowych, niezbadanych sferach jak inżynieria motoryzacyjna, chemiczna, kosmiczna czy środowiska itd. Jednym z innowacyjnych zastosowań CFD jest bio-inżynieria. W medycynie, symulacje komputerowe są w stanie dostarczyć niezbędnych, nierzadko ratujących życie informacji, bez ingerencji w ciało pacjenta (in vitro), co pozwala uniknąć późniejszych komplikacji, zagrożeń występujących w trakcie wprowadzania przyrządów w ciało pacjenta czy niebezpiecznych nieprzewidywalnych powikłań. Ponad to w wielu przypadkach metody in vivo są niemożliwe do zastosowania ze względu na zagrożenie życia pacjenta. Głównym celem powyższego projektu było stworzenie i testy innowacyjnego, dokładnego modelu przepływu krwi w ludzkiej aorcie. Aktualnie dostępne badania nie uwzględniają przestrzennych interakcji pomiędzy poszczególnymi fazami krwi i ścianami naczyń krwionośnych. Takie podejście zdecydowanie zmniejsza dokładność tego typu modeli. Odpowiednie badania wzbogacają wiedzę ogólną o dokładne informacje , które mogą okazać się kluczowe we wczesnym diagnozowaniu problemów układu sercowo-naczyniowego, wskazując na potencjalnie podatne obszary (np. kurczące się naczynia krwionośne). Tak dokładne informacje są trudno dostępne do uzyskania na drodze badań. Poza wielofazowa koncepcją projektu, który rozpatruje każdy komponent krwi jako oddzielną fazę, przyporządkowując poszczególne właściwości do każdej z nich i uwzględniając ich wzajemne relacje, szczególną uwagę zwrócono na realistykę geometrii – zakładając rzeczywisty układ aortalny (część aorty wstępującej, łuk aortalny i część aorty zstępującej) uwzględniający bifurkację. Ponadto wprowadzono do modelu przepływ pulsacyjny za pomocą wbudowanej wewnętrznej funkcji programu. (ang. UDF – User Defined Function).

7

Identification and modeling the pulsatile blood flow in the cardiovascular system using a zero-dimensional model in an electrical analogy

Bandoła Dominika

Archiwum Instytutu Techniki Cieplnej

|

2016

|

Vol. 1

5--28

EN

Advanced computer technology tools, like computational fluid dynamics (CFD) and knowledge about the functioning of the human blood circulatory system, structure of blood, behavior of vessels – allow improving understanding the process of blood distribution in human body. Complex simulation has to assume multiphase approach, walls elasticity and pulsating blood flow conditions, resulting from work of the heart [1]. In the presented work the blood flow and pressure were simulated. The characteristic impedance, peripheral resistance, capacitance in the systemic peripheral vascular beds had been taken into the consideration in electrical analogues as a lumped parameter model (LPM) of the circulatory system which will be implemented as a boundary conditions in the complete CFD model on the inlet of ascending aorta and on the outlets of descending aorta, innominate artery, left common artery and left subclavian artery [2]. The resistance in a vessel was modeled by electronic component – resistor. The blood flow is not stationary, it is stored (e.g. in the vessels and kidneys) just like energy in the capacitors. Coil is an analog to the inert tendency of blood, which mass resists to move due to the pressure difference. Furthermore it can be assumed that flow has only one direction – so vessels act like a diodes in electronic circles. Additionally the conservation of the mass principle has been applied converted into the Kirchhoff’s law [3].The realistic, time-course, lumped parameter (0D) model represents the cardiovascular system and is written in Matlab code, however it can be implemented in the external numerical modeling application (CFD) in the future.

PL

Zaawansowane komputerowe narzędzia wspomagania inżynierskiego, jak numeryczna mechanika płynów (CFD) oraz wiedza na temat funkcjonowania układu krążenia człowieka, struktury krwi, zachowania naczyń krwionośnych pozwalają na lepsze zrozumienie procesu dystrybucji krwi po organizmie. Kompleksowe symulacje muszą zakładać wielofazowość przepływu krwi, elastyczne ściany naczyń krwionośnych oraz pulsacyjny przepływ wynikający z charakterystyki pracy serca [1]. W prezentowanej pracy zamodelowano przepływ oraz ciśnienie krwi. Charakterystyczna impedancja, rezystancja oraz pojemność zostały wzięte pod uwagę w elektrycznej analogii jako model skupiony dużego układu krążenia, który zostanie zaimplementowany jako warunek brzegowy w kompletnym modelu CFD na wlocie do aorty wstępującej oraz na wylotach z pnia ramienno-głowowego, tętnicy szyjnej wspólnej lewej i tętnicy podobojczykowej lewej. Opór przepływu krwi w naczyniach jest analogiczny do oporu elektrycznego rezystora. Niestacjonarny przepływ regulowany przez elastyczne naczynia krwionośne można zasymulować używając kondensatora. Za pomocą cewki można opisać inercję krwi. Co więcej, zakładając, ze krew płynie tylko w jednym kierunku mimo zmiennego ciśnienia dzięki działaniu zastawek, w modelu można użyć w ich miejsce diod, które podobnie działają na przepływ prądu. Dodatkowo analogia elektryczna umożliwia zastosowanie zasady zachowania masy dzięki prawu Kirchhoffa [3]. Powstały model skupiony opisujący układ krążenia został napisany w programie Matlab, jednakże może być przepisany na język programowania C i zaimplementowany w zewnętrznym oprogramowaniu CFD.

8

Computational analysis of aortic hemodynamics during total and partial extra-corporeal membrane oxygenation and intra-aortic balloon pump support

Caruzo M. V., Gramigna V., Renzulli A., Fragomeni G.

Acta of Bioengineering and Biomechanics

|

2016

|

Vol. 18, no. 3

3--9

EN

Purpose: The extracorporeal membrane oxygenation (ECMO) is a temporary, but prolonged circulatory support for cardiopulmonary failure. Clinical evidence suggests that pulsed flow is healthier than non pulsatile perfusion. The aim of this study was to computationally evaluate the effects of total and partial ECMO assistance and pulsed flow on hemodynamics in a patient-specific aorta model. Methods: The pulsatility was obtained by means of the intra-aortic balloon pump (IABP), and two different cases were investigated, considering a cardiac output (CO) of 5 L/min: Case A – total assistance – the whole flow delivered through the ECMO arterial cannula; Case B – partial assistance – flow delivered half through the cannula and half through the aorta. Computational fluid dynamic (CFD) analysis was carried out using the multiscale approach to couple the 3D aorta model with the lumped parameter model (resistance boundary condition). Results: In case A pulsatility followed the balloon radius change, while in case B it was mostly influenced by the cardiac one. Furthermore, during total assistance, a blood stagnation occurred in the ascending aorta; in the case of partial assistance, the flow was orderly when the IABP was on and was chaotic when the balloon was off. Moreover, the mean arterial pressure (MAP) was higher in case B. The wall shear stress was worse in ascending aorta in case A. Conclusions: Partial support is hemodynamically advisable.

9

Personalised External Aortic Root Support: an engineering perspective

Golesworthy T. J.

Medical Robotics Reports

|

2015

|

vol. 4

6--9

EN

Personalised External Aortic Root Support (PEARS) surgery is now an established surgical approach in the management of aortic dilation in patients with Marfan Syndrome and related congenital conditions in which there is asymptomatic dilation of the aortic root/ascending aorta [1, 2, 3, 4, 5]. In establishing this new surgical approach, a number of engineering issues were successfully addressed by a multi disciplinary team combining surgeons, radiologists and engineers. This paper discusses some of the principal engineering challenges facing the team at the feasibility stage of the project.

10

Influence of preservative on the tensile strength of the tissue of porcine circulatory system

Dawidowska K., Stanisławska A.

Advances in Materials Science

|

2015

|

Vol. 15, nr 3(45)

67--75

EN

There are many biomaterials that can substitute pathologically altered tissue, however, none of them is as perfect as a native tissue. Currently, scientists are looking for new biomaterials that can be successfully implanted without exposing the patient to reoperation. Each material introduced into an organism must afford sufficient mechanical and biochemical properties and meet the criteria of the biomaterial. Materials intended to take over the function of natural tissue materials should be characterized to the greatest extent by similar mechanical properties. The authors of many publications describing the results of strength tests of biological tissues show different ways of researching them. In many cases, the form of the test material preparation is different because of anisotropy of biological tissue. This study provides an overview of selected methods for the tensile tests characterizing the mechanical properties of the heart valves, pericardium and porcine aortas. We also present results of our study of mechanical properties of the natural porcine tissues.

11

Remodelling of material structure in aortic valve leaflet

Patralski K., Konderla P.

Acta of Bioengineering and Biomechanics

|

2015

|

Vol. 17, no. 2

63--72

EN

Purpose: The goal of this study is to model changes in fibre content in aortic valve leaflet material due to mechanical stimuli. Methods: The fibre remodelling process is associated with the redistribution of the internal forces acting in the shell. The process is characterized by the occurrence of extreme stresses and strains. The load distribution function is asymmetrical. The optimization problem has been assigned the task of transferring the load imposed on the leaflet. The density of the fibres per unit surface of the middle shell was assumed to be proportional to the shell thickness, which means that fibre density along the normal direction is constant over the entire shell. Results: The model of valve leaflet loading is the distribution of the pressure generated on the leaflet shell surface by the flowing fluid. The algorithm for the redistribution of the leaflet material mass made it possible to distinguish two regions of enhanced thickness in the leaflet shell. One was localized between the commissures along the leaflet attachment, the other one in the middle part of the leaflet at the level of the commissures. A reduction in shell thickness is observed in the middle part of the leaflet, above the point of its attachment to the aorta. Conclusions: The distribution of the thickness field obtained corroborates the findings of the study reported elier. Our study on the remodelling of the valve leaflet entailed the application of the stress criterion, which visibly upgraded the functioning of the valve by improving its mechanical and hemodynamic parameters.

12

Influence of selective digestion of elastin and collagen on mechanical properties of human aortas

Kobielarz M., Chwiłkowska A., Turek A., Maksymowicz K., Marciniak M.

Acta of Bioengineering and Biomechanics

|

2015

|

Vol. 17, no. 2

55--62

EN

Purpose: There are two families of fibres taking part in the process of mechanical loads transfer, i.e. elastin and collagen fibres. Their number, spatial arrangement and specific properties determine the capacity of a blood vessels to resist mechanical loads resulting from the impact of blood on vessel walls. The purpose of the present paper is to define the load-bearing capacities of elastin and collagen scaffolds equivalent to natural fibre arrangements of human aorta and produced by selective digestion. Methods: Samples of thoracic human aortas were digested by using phosphate buffer of trypsin at pH 8.0 for 22 hours in order to degrade elastin and by autoclaving followed by incubation in 90% formic acid for 22 hours. The efficacy of digestion was assessed immunohistochemically. Mechanical properties of pre-stretched native and digested samples were determined by uniaxial tensile test. Results: Samples subjected to autoclaving have been successfully deprived of both types of collagen and elastin has been intact. Treatment with trypsin caused a removal of elastin and the presence of type I and IV collagen was demonstrated. Digestion of aortic samples either by formic acid or trypsin has resulted significantly decreasing mechanical properties in comparison with native samples. Conclusions: Collagen and elastin scaffold-like stuctures have been effectively produced by selective digestion of thoracic human aorta and their contribution to the load-bearing process was evaluated. Isolated collagen network are more durable and stiffer and less deformable than elastin network, hence are responsible for load-bearing process at higher strain since the range of working of elastin is at lower strain values.

13

Hyperelastic behavior of porcine aorta segment under extension-inflation tests fitted with various phenomenological models

Veljković D. Ž., Ranković V. J., Pantović S. B., Rosić M. A., Kojić M. R.

Acta of Bioengineering and Biomechanics

|

2014

|

Vol. 16, no. 3

37--45

EN

Most of hyperelastic models for the constitutive modeling of the typical mechanical behaviour of the arterial wall tissue in literature are based on the test data from different animals and arteries. This paper is concerned with the material parameter identification of several phenomenological hyperelastic models by fitting the data from five extension-inflation tests of the porcine aorta segment, carried out in our laboratory. A membrane approximation is used to compute stresses and strains achieved during experiments, with usual assumption of material incompressibility. Three orthotropic two-dimensional strain-energy functions, based on use of the Green-Lagrange strains, are fitted to the test data: the well-known Fung’s exponential model; the classical polynomial model with seven constants; and the logarithmic model; as also, two three-dimensional models are employed: polyconvex anisotropic exponential hyperelastic model and the convex isotropic exponential rubber-like hyperelastic constitutive law depending on the first invariant of the right Cauchy-Green deformation tensor. It is found that isotropic model overestimates values of stresses in axial, and underestimates values of stresses in circumferential direction of artery segment, due to pronounced tissue anisotropy. Also, all considered two-dimensional models give good and similar prediction, while the polyconvex model demonstrates slightly lower performance in the axial direction of artery.

14

A comparison between the exponential and limiting fiber extensibility pseudo-elastic model for the Mullins effect in arterial tissue

Gultova E., Horny L., Chlup H.

Journal of Theoretical and Applied Mechanics

|

2011

|

Vol. 49 nr 4

1203-1216

EN

This study compares the capability of two different mathematical forms of the so-called softening variable to describe strain-induced stress softening observed within cyclic uniaxial tension of the human thoracic aorta. Specifically, the softening variable, which serves as the stress reduction factor, was considered to be tangent hyperbolic-based and error function-based. The mechanical response of the aorta was assumed to be pseudo-hyperelastic, incompressible and anisotropic. The strain energy density function was employed in a classical exponential form and in a not well-known limiting fiber extensibility model. This study revealed that both the limiting fiber extensibility and exponential models of the strain energy describe mechanical the response of the material with similar results. It was found that it is not a matter which kind of the softening variable is employed. It was concluded that such an approach can fit the Mullins effect in the human aorta, however the question of the best fitting model still remains.

PL

Praca zawiera analizę porównawczą poprawności dwóch różnych matematycznych sformułowań tzw. zmiennej osłabienia przy opisie zjawiska osłabienia naprężeń indukowanych odkształceniem obserwowanym podczas cyklicznego jednoosiowego rozciągania aorty piersiowej. W szczególności, zmienną osłabienia jako czynnika redukującego poziom naprężeń opisano funkcją typu tangens hiperboliczny oraz funkcją błędu. Założono, że mechaniczne właściwości aorty odpowiadają modelowi pseudohipersprężystemu, nieściśliwemu i anizotropowemu. Funkcję gęstości energii odkształcenia przyjęto w klasycznej formie wykładniczej i mało rozpoznanej postaci, która ogranicza zakres rozszerzalności włókien. Badania wykazały, że obydwa podejścia opisują właściwości mechaniczne tkanki z podobnym skutkiem. Pokazano, że rodzaj przyjętej zmiennej osłabienia nie ma wpływu na rezultaty badań. W konkluzji podkreślono, że obydwa modele nadają się do analizy efektu Mullinsa w aorcie, jakkolwiek nadal otwartą kwestią pozostaje problem znalezienia najlepiej dopasowanego modelu do opisu tego zjawiska.

15

Mechanobiology of soft tissues: FT-Raman spectroscopic studies

Gąsior-Głogowska M., Komorowska M., Hanuza J., Mączka M., Będziński R., Kobielarz M.

Challenges of Modern Technology

|

2011

|

Vol. 2, no. 3

8--11

EN

FT-Raman spectroscopy was used to investigate microstructural changes in the secondary protein structure of soft tissues subjected to increasing levels of macroscopic strain. Main protein bands at 938 cm-1 assigned as v(Cα–C), 1668 cm-1 — amide I and 1268 cm-1 — amide III are sensitive to applied strain and undergo wavenumber shifting. Other main vibrational modes at 1004 cm-1 assigned to the phenyl ring breathing mode and 2940 cm-1 (n(CH3,CH2)) remain unaltered. Spectroscopic results were compared with the mechanical relations obtained from the standard protocol of uniaxial tensile tests carried out in a testing machine. A clear correlation between Raman band shifting and the level of mechanical stress was established. Initially the load is transferred through elastin and then gradually also by collagen. It was proved that transferring loads by soft tissues involves changes in structural protein conformation. This process was described in detail for a tendon. It was also confirmed that mechanical properties of soft tissues depend on collagen and elastin fiers orientation.

16

Mineralizacja naczyń krwionośnych w świetle badań fizycznych

Gil A.

Prace Naukowe Akademii im. Jana Długosza w Częstochowie. Edukacja Techniczna i Informatyczna

|

2007

|

T. 2

115-126

17

Ocena kierunkowych właściwości mechanicznych ścian naczyń krwionośnych

Kobielarz M., Będziński R., Szotek S.

Zeszyty Naukowe Katedry Mechaniki Stosowanej / Politechnika Śląska

|

2006

|

z. 30

131-136

PL

Głównym celem tej pracy jest wyznaczenie właściwości mechanicznych ścian zdrowej aorty brzusznej oraz ścian tętniaka aorty brzusznej. W tym celu, przeprowadzono test jednoosiowego rozciągania próbek, które wycinano w dwóch kierunkach: wzdłużnym i obwodowym. Dla wszystkich przebadanych próbek wykreślano charakterystyki σ=f(ε) i wyznaczano dla nich umowny moduł Younga oraz wytrzymałość mechaniczną na rozciąganie. Zaobserwowano, że ściany tętniaka aorty brzusznej w porównaniu ze ścianami zdrowej aorty brzusznej są sztywniejsze.

EN

The maim aim of this research work is appointed mechanical properties of walls of normal abdominal aorta and walls of abdominal aortic aneurysms. In this end of view, the uniaxial tensile tests were performed for each specimen, which were cut out research material in two directions: longitudinal and circumferential. On the basis these tests the stress-strain characteristics were drawn for all specimens and the assumed Young's modules and the tensile strength were assigned. The results indicate that the walls of abdominal aortic aneurysms in comparison with walls of normal abdominal aortas are stiffer.

18

The biomechanics of atherosclerosis development

Makinde O. D., Acho T. M., Sibanda P., Lungu E. M.

Computer Assisted Mechanics and Engineering Sciences

|

2003

|

Vol. 10, No. 1

23-31

EN

In this paper, we investigate the bio-mechanics of atherosclerosis development in human physiology. Blood is modelled as an incompressible fluid of variable viscosity flowing in a slightly diverging channel (i.e. large artery) of small aspect ratio [1]. The hypothetical viewpoint in this work is the existence of relationship between the atherosclerosis development, blood viscosity, flow separation and turning points in the flow field. The problem is tackled by asymptotic approximation and the graphical results are discussed quantitatively.

19

Computational modelling of stress and strain states in artery walls using FEM

Bursa J.

Zeszyty Naukowe Katedry Mechaniki Stosowanej / Politechnika Śląska

|

2000

|

z. 12

101-106

EN

Computational modelling of stress and strain states in artery walls is realized on an example of aorta, modelled as a cylindric body, consisting of one or two homogeneous coaxial layers with constant thickness, and showing finite distortions under physiologic load. The material of each layer is modelled as an isotropic non-linear elastic continuum with a negligible compressibility. The model solved using finite element method is loaded, in addition to the blood pressure, by axial prestretch according to conditions in a human body, and includes residual stresses, as well.

PL

Komputerowe modelowanie stanów odkształcenia i odkształcenia w ściankach arterii pokazano na przykładzie aorty, zamodelowanej jako walec składający się z jednej lub dwóch jednorodnych, współosiowych warstw o stałej grubości i wykazujących niewielkie zaburzenie pod wpływem obciążenia fizjologicznego. Materiał każdej warstwy zamodelowano jako nieliniowe, izotropowe continuum o pomijalnej ściśliwości. Model rozwiązano wykorzystując metodę elementów skończonych przy obciążeniu ciśnieniem krwi i promieniowymi napięciami wynikającymi z budowy ciała ludzkiego. Uwzględniono również naprężenia resztkowe.